音频功率放大器设计.docx

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音频功率放大器设计

1绪论

随着时代科技的高速发展，大量的电子设备应运而生。

在现实生活中，绝大部分电子设备都离不开音频信号的处理，高效率音频放大器直接影响到了许多电子产品的质量。

传统的音频功放工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁。

功率输出受到限制。

低失真，大功率，高效率是对功率放大器提出的普遍要求。

高效率功率音频功率放大器设计的关键是功率放大器放大电路的研究，提高功放的效率的根本途径是减小功放管的功耗。

方法之一是减小功放管的导通角，增大其在一个信号周期内的截止时间，从而减小管子所消耗的平均功率，高频大功率放大电路中，功放工作处于丙类（C类）状态。

方法之二是使功放管工作处于开关状态（即D类状态），此时管子仅在饱和导通时消耗功率，而且由于管压降很小，故无论电流大小，管子的瞬时功率都不大，因此管子的平均功耗也就不大，电路的效率必然提高，但是应当指出，当功放中的功放管工作在C类或D类状态时，集电极电流将严重失真，因此必须采取措施消除失真，如采用谐振功率放大电路，从而使负载获得基本不失真的信号功率[1]。

1.1设计高效率功率音频功率放大器的目的和意义

音频领域数字化的浪潮以及人们对音频节能环保的要求，要求我们尽快研究开发高效、节能、数字化的音频功率放大器。

传统的音频功率放大器工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，仍然很难满足大功率输出；而且需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，过热等保护电路。

这次音频功率放大器的设计为了达到高效率的设计，采用D类功率放大器，D功放是基于脉冲宽度调制技术的开关放大器，包括脉冲宽度调制器，功率桥电路，低通滤波器。

这种类型的功放已经展示出了良好的性能，要想设计出并实现电源效率高于90%，THD低于0.01%，低电磁噪音的D类功率放大器，或者甚至包括能将高保真音质技术引入的D类的放大器[2]。

其首要的问题是掌握与D类音频功放设计有关的基础技术与原理，同时熟悉和比较A类，B类，AB类，C类功率放大器。

以及进一步理解这几类功率放大器的工作原理。

比较它们的优点和缺点，从而确定本设计采用哪种放大器。

1.2国内外发展现状水平

音频功率放大器已经有一个多世纪的历史了，从最早的电子管放大器一直到今天它都在不断的发展更新。

随着时代的进步，各种便携式的多媒体设备成为了多媒体设备的一个重要发展方向。

从作为通信工具的手机到作为娱乐设备的MP3以及便携式的DVD等等，这些便携式的多媒体设备都需要有音频输出，都需要音频功率放大器，同时它们都是由电池来供电。

传统的AB类功率放大器具有较好的线性度，较低的失真，但是工作效率较低的问题一直无法很好地解决。

D类音频功率放大器就是在这样的背景下应运而生的[3]。

它的最大的特点就是能够提供极高的效率，延长电池的使用寿命。

20世纪60年代中期，日本就曾研制出8bit的高效率音频功率放大器；到1983年，国外提出了D类（数字）PWM功率放大器的基本结构，但是这些功放仅能实现低位D/A功率转换，难以实现16bit、44.1kHz采样的功率放大器[3]。

随着数字信号处理（DSP）和音频数字压缩技术的结合、新型离散功率器件及其应用的发展，使开发实用化的16bit数字音频功率放大器成为现实，这些技术离不开微机数字技术的发展，小型高效率音频功放首先在笔记本电脑、有源音箱和声卡上采用，有音频功放的声卡可直接接耳机或普通小型音箱，使用极为方便。

功率放大器是半导体产业中相当独特的一部分，在全球硅半导体走向垂直分工的情形下，生产功率随着技术的成熟及应用领域的拓展，高效率音频功放逐步进入了专业音响领域，目前移动电话的功率放大器中，由于前四大厂商：

RFMD、Hitachi、Conexant与Motorola已掌握近70%的市场，其中北美厂商拥有超过一半的市场占有率。

全球占有率近20%的RFMD，以供应Nokia为主，因此产品多为GSM系统所使用；排名第二的Hitachi则以供应日本手机厂商为主；Conexant以量产CDMA系统为主，主要供应Ericsson与Samsung使用，而Motorola则是以供应自制移动电话为优先，不足的部分则向Conexant采购[4]。

最近几年，电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展，由此人们对音频功率放大器提出了非常高的要求。

因为移动设备受电池容量、散热、体积的限制，对音频功率放大器要求高效节能、发热量少、体积小、便于集成。

普通功放发热量大，不易解决散热问题。

而D类放大器由于工作在开关状态，作为控制元件的晶体管本身消耗功率较低，功放的效率就高，可达90%以上，因此能极大地降低能源损耗，减小放大器体积。

近几年，工业控制上快速低电压控制大电流的MOSFET管也已用得很普遍，该管开关特性、导通饱和压降和截止漏电流特性都大大改善，应用到音频开关放大器上，能大大提高其可靠性和保真度。

故D类放大器在便携式设备上的应用具有很大的优势，受到许多开发商的青睐。

D类功放虽然也被称作数字化功放，但在电路设计上绝不像纯粹的数字电路那么简单，也不是直接采用一两块芯片就认为设计大功告成。

以数字手段实现模拟功能，仍然需要考虑许多模拟方面的因素，其控制方式、元器件选择、电路板布局是直接影响其高保真度性能的关键因素。

近年来，国外的公司对D类功率放大器进行了研究和开发，提出了一些方案，但是尚存在了较大的难度，由于采用PWM方式，为了提高音质，降低失真，必须提高调制频率，但是在较高频率下，会产生一定的问题，同时，D类功率放大器对器件的要求较高，不利于降低成本。

在国内，我国的音频功率放大器已经发展到了一个比较成熟的阶段，但是在许多音频处理器中，还没有真正的克服高效率，高保真，低耗能，低成本的要求。

在高效率音频功率放大器领域仍然存在很大的研究空间。

1.3主要进行的工作

整个系统由D类功率放大器、信号转换电路及功率测量显示装置组成。

D类开关音频功率放大器的工作于PWM模式,将音频信号与采样频率比较,经过自然采样,得到脉冲宽度与音频信号幅度成正比例变化的PWM波,经过驱动电路,控制功率器件的开关,实现放大,放大的PWM信号送入滤波器,还原为音频信号。

从而实现高效率的音频功率放大。

（1）比较各种类型的功率放大器，得出最适合高效率音频功率放大器设计的一种功放；

（2）设计出高效率音频功率放大器的总体框图和设计方案；

（3）将设计分为功放，信号变换，功率测试与显示三大模块，一一论述和设计；

（4）得出一个完整的系统原理图；

（5）根据原理图进行仿真实验。

2高效音频简介

2.1高效率音频功放概况

音频放大器已经快要有一个世纪的历史了，最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。

然而直到现在为止，它还在不断地更新、发展、前进。

主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种，也是最基本的一种。

为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断地加以改进。

进入21世纪以后，电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展，由此人们对音频功率放大器提出了非常高的要求。

因为移动设备受电池容量、散热、体积的限制,对音频功率放大器要求高效节能、发热量少、体积小、便于集成。

普通功放发热量大，不易解决散热问题。

而D类放大器由于工作在开关状态，作为控制元件的晶体管本身消耗功率较低，功放的效率就高，可达90%以上，因此能极大地降低能源损耗，减小放大器体积。

近几年，工业控制上快速低电压控制大电流的MOSFET管也已用得很普遍，该管开关特性、导通饱和压降和截止漏电流特性都大大改善，应用到音频开关放大器上，能大大提高其可靠性和保真度[5]。

故D类放大器在便携式设备上的应用具有很大的优势，受到许多开发商的青睐。

D类功放虽然也被称作数字化功放，但在电路设计上绝不像纯粹的数字电路那么简单，也不是直接采用一两块芯片就认为设计大功告成。

以数字手段实现模拟功能，仍然需要考虑许多模拟方面的因素，其控制方式、元器件选择、电路板布局是直接影响其高保真度性能的关键因素。

高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子设备中也需要。

因为功率越高效率也就越重要。

而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。

在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。

这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。

D类放大器在这些设备中也扮演了极重要的角色。

近年来，国外的公司对D类功率放大器进行了研究和开发，提出了一些方案，但是尚存在了较大的难度，由于采用PWM方式，为了提高音质，降低失真，必须提高调制频率，但是在较高频率下，会产生一定的问题。

同时，D类功率放大器对器件的要求较高，不利于降低成本。

在国内，我国的音频功率放大器已经发展到了一个比较成熟的阶段，但是在许多音频处理器中，还没有真正的克服高效率，高保真，低耗能，低成本的要求。

在高效

率音频功放大器领域仍然存在很大的研究空间。

2.2音频功放的分类

在我们的生活之中，每一个角落都会有广播，音乐，电视等，他们都有一个共同点，那就是都离不开声音，于是也离不开音频处理。

同其它功率放大器一样，音频功放也分为A类、B类、AB类以及C类、D类。

其实上述这些放大器的区别只是在于静态工作点的选择。

A类功放在整个信号周期内都有电流流过功率MOS管[6]，也就是说，即使在没有输入信号的情况下，A类依然要消耗功率，因此A类的效率是最低的，即使在最理想的情况下，A类功放的最高效率也只有50％。

但是，由于在任何时候都有电流流过功率管，也就是说，在任何时候，信号都可以比较完美地被放大，因此，A类的失真是最小的。

而B类的工作点选择比较低，使功率管在整个信号周期内只有50％的时间使开启的，因此从效率的角度来说，B类比A类高得多，但是另一方面，由于只有一半的时间进行信号放大，B类的失真也比A类要严重得多。

而AB类则是对A类和B类的折中，它在信号周期内有超过50％的时间对信号进行放大，因此效率和失真度都介于A类与B类之间。

而C类则只有不到50％的时间对信号进行放大，效率比B类高，失真也比B类更严重[7]。

以上功率放大器影响他们效率的基本因素是无信号输入时的工作电流所造成的直流损耗，没有信号输入时，工作电流越大，效率越低，因此为了提高效率只有把工作点调低，使没有信号输入时，工作电流尽可能小，而调低工作点则使信号导通角变小，波形失真变大，输出信号中的谐波成分增加。

效率与失真度形成了一对矛盾。

导通角也可以做为区分A类、B类、AB类以及C类功放依据。

如果假设输入波形的边沿很陡，那么即使降低工作点，对导通角的影响也很小，那么就可以在不增加失真的情况下提高效率，最为极端的情况就是输入为直上直下的矩形波，无论偏置如何变化，这种波形的边沿都是垂直的。

在这种设计思想下，D类功放诞生了。

D类功放则和上述功放并不相同，它并不是依靠对放大器工作点的选择，而是直接用数字逻辑来控制功率管的关断和开启。

因此，被成为“数字功率放大器”。

2.3音频功率放大器的效率分析

2.3.1放大器的种类

功率放大器通常按照其功率开关管的工作方式分为线性功率放大和非线性功率放大两类。

线形功率放大器即为传统的模拟放大器，常分为A类、B类、AB类，C类四种，其主要特点是保真度高，但是效率很低。

非线形放大器又称为D类放大器（开关放大器），其功率开关管工作于开关状态，具有很高的效率。

下面将对这四类功率放大器分别进行介绍。

功率放大器按照信号导通角，可分为：

A、B、C和AB类四类，其情况简述如下：

（1）A类放大器

当输入信号为正弦波时，若三极管在信号的周期内导通角等于360度，则称之工作为A类放大器工作状态，图2.1是将扬声器负载R直接接在共集音频放大器发射级的A类功放电路，这种连接称为负载直接耦合A类功放。

若工作点安排在最大动态范围点—负载线中点，且不计饱和压降，则R上信号电压振幅等于电源电压Vcc的一半，所以最大输出功率为

（2.1）

而电源的输出功率为

（2.2）

所以负载直接耦合A类功放最大效率只有25%。

A类功放效率低的原因是当输入信号为零时，负载和晶体管仍然要消耗直流功率。

图2.1负载直接耦合A类功放

我们从图2.2中的特性曲线中来讨论功率管的状态，图中左边为晶体管输入特性，固定偏置所形成的工作点在Q点，当正弦音频信号输入时，其幅度未超出线性范围，集电极电流为完整的全周导通的正弦波，此时导通角为360度，（导通角是以功率管处于放大区的时间占整个信号周期的部分来计算的，若整个信号周期中功率管都处于放大区则导通为360度）。

A类放大器失真较小，只受器件特性曲线的影响，若器件线性响应好则失真非常小。

图2.2A类功放特性曲线

（2）B类放大器

如果功放中的晶体管只有半周期工作在放大区，另外半周期截止，即导通角为180度。

这就是B类功放。

电阻作负载的B类功放必须采用双管，让其轮流导通半周期，才能在负载上合成完整的输出电压。

B类功放在静态时电源不消耗功率，因此效率较A类功放大大提高。

B类功率放大器结构图2.3如下：

图2.3B类放大器的结构图

设输出信号为

，可得输出负载的平均功率

为：

（2.3）

电源输入功率为：

（2.4）

工作效率

为：

（2.5）

由式2.3可见，当

时，B类放大器具有最大工作效率为78.5%。

可见B类放大器的最大工作效率大于A类放大器，其晶体管的静态偏置电流为零。

B类放大器最大的缺点是存在较大的交越失真，这种现象的产生原因是当一个晶体管截止而另一个晶体管导通时需要过渡时间。

（3）AB类功率放大器

B类功放虽然效率高于A类功放，但非线性失真比A类功放大。

尤其是输入信号较小时，B类功放的非线性失真严重，这是因为晶体管的发射结存在一定的导通电压所致，为了解决这一问题，可将推挽功率管设置一定的放大偏置，使功率管工作是导通时间在半周期以上（导通角大于180度），该类放大器的偏置按B类设计，然后增加偏置电流，使放大器进入AB类。

这类功放称为AB类功放。

AB类功放的失真小于B类功放，但效率低于B类功放[8]。

AB类放大器在输出低于某一电平时，两个输出器件皆导通，其状态工作于A类；当电平增高时，两个器件将完全截止，而另一个器件将供给更多的电流。

这样在AB类状态开始时，失真将会突然上升，其线性劣于A类或B类。

（4）C类放大器

功率管处于放大区的时间小于半周期的功放称为类功放。

其静态偏置点在截止点之下，当信号输入时只有超过偏置点部分的时候管子才导通。

该类功放只有用具有选频特性的元件作负载才能克服非线性失真，主要用于射频载波信号的放大。

C类放大器的情况如图2.4。

图2.4C类放大器工作特性

这类放大器，其特点是断续地转换器件的开通，其频率超过音频，可控制信号的占空比以使它的平均值能代表音频信号的瞬时电平，这种情况被称为脉宽调制（PWM），其效率在理论上来说是很高的。

但是，实际困难还是非常大的，因为300kHz的高功率方波是不是好的出发点尚不清楚；从失真的角度来看，为保证采样频率的有效性，必须将一个陡峭截止频率的低通滤波器插入放大器与扬声器之间，以消除绝大部分的射频成分，这至少需要4个电感（考虑立体声），成本自然不会低。

此外，表现在频响方面，它只能对某一特定负载阻抗保证平坦的频率响应。

（5）D类放大器

以上各类放大器介绍可知，影响放大器效率的基本因素是无信号时的工作电流，所形成的直流功率损耗。

无信号时电流愈大则直流损耗大，效率低。

为此，要提高效率则应降低工作点，使无信号时，无直流损耗。

但是，信号导通角逾小波形失真则愈大，输出信号中谐波成分增加，这两个要求矛盾。

如果输入波形其他边沿很陡直，降低工作点后，对导通角影响很小，那么失真劣化不大而效率又可以提高。

波形陡直的极端状态时输入信号为矩形波，这种波形，无论偏置如何变化，由于前后沿是垂直升降的，导通状态都不会变化，这样就诞生了工作与脉冲放大状态的D类放大器。

D类放大器为非线性功率放大器，是一种具有极高工作效率的开关功率放大器，其中被放大的信号并非直接为输入信号而是经采样变换后脉宽变化的开关信号，D类放大器工作时，P型功率开关管和N型功率开关管均处于开关状态。

理想状态下，功率开关管导通电阻为零，没有电压降，关断时电阻为无穷大，没有电流流过，因此，D类放大器的工作效率理论上可达到100%，虽然在实际应用中，由于受器件限制（如开关速度、漏电流、导通电阻不为零等）和设计上的不完善，不能实现100%的效率，但其实际效率通常可达到90%以上，因此同线性放大器相比，具有较大的优势。

但是由于晶体管并不是一个理想的开关，在截止的时候电阻并不是无穷大，而在导通的时候，其电阻也不等于零。

不过由于扬声器的负载很低，晶体管在截止时漏电流很小，所以在截止时晶体管的损耗可以忽略不计。

从而只要考虑在晶体管导通时的损耗即可。

此时D类放大器的效率实际上是由晶体管导通时的两端的电压降和扬声器两端的电压降决定的。

因此，晶体管的导通电阻对于D类放大器的效率起着重要的作用。

这是影响D类功放效率的最主要的因素。

除了晶体管的导通电阻外，还有偏置电流，电路翻转都会消耗功率。

电路翻转所带来的开关损耗由开关频率决定。

D类放大器是一种完全不同的放大器，其实称之为D类放大器似乎并不恰当。

因为它并不只是放大器工作点的选择。

所以也有人称之为“数字音频放大器”。

似乎这个名称更为恰当。

因为有一种D类放大器可以接收数字输入而省去D/A变换。

D类放大器所采用的技术其实就是脉宽调制技术（PWM）。

所谓脉宽调制技术也就是把模拟音频信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度。

这样，一个模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。

这样做的原因是这时候，要把信号放大，只要对这系列的脉冲信号放放大就可以了。

而原来的模拟信号并不是包含在这个脉冲信号的幅度之中，而是包含在它的宽度之中。

只要把这个放大以后的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。

在没有信号的时候，输入信号就是对称方波。

所以如果在放大的时候，幅度上产生失真并不会使原来的音频信号产生失真。

在这种情况下的放大器就可以完全工作在开关状态。

在开关工作状态，晶体管的效率是很高的。

因为在完全导通的时候晶体管的电流很大但是压降很小（由其饱和电阻决定），而在截止的时候，加在晶体管的电压很高，但是流过晶体管的电流很小（只是其漏电流而已）。

同时还可以使晶体管在没有音频信号时完全工作在截止状态，这样其效率就高。

这种脉宽调制可以用一个等幅三角波来对音频信号进行采样。

为了避免失真，这个三角波的频率必须远高于音频信号的最高频率分量。

它的原理图如图2.5示。

图2.5D类音频功率放大器各信号波形

通常为了不失真地放大最高频率分量为20kHz的音频信号，其三角波的重复频率最好在100kHz以上，以减小对于输出滤波的要求。

当这个等幅矩形波的幅度被放大以后，还要还原成原来的音频信号，这只要用一个低通滤波器滤掉不需要的高频分量就可以了。

过程中的非线性也会使原来的正弦波产生高次谐波，这也会引起了所谓的总谐波失真THD（TotalHarmonicDistortion）[9]。

在推挽或平衡放大器中，通常没有偶次谐波，所以在这种电路中，高次谐波中以三次谐波的分量为最大。

D类音频功率放大器使用的开关管采用功率型MOSFET，即大功率场效应管，并为保证足够的激励电压而设有驱动电路，使FET能充分的开启和关断。

大功率管都工作在线形区，即呈现线性电阻状态。

综上所述，我们概括的来比较以上五类放大器的失真，效率，体积这三样性能，其表如下：

表2.1五类放大器性能比较表

五类放大器性能的比较

五类放大器

A类

B类

AB类

C类

D类

失真

小

大

小

小

大

效率

低

高

低

低

高

体积

大

大

大

小

小

2.3.2功率放大电路的特点及主要研究的对象

放大器的技术指标：

（1）额定功率：

音响放大器输出失真度小于某一数值（r<1%）的最大功率称为额定功率，表达式：

，

为负载两端的最大不失真电压，

为额定负载阻抗。

测量条件如下：

信号发生器输出频率为1kHz，电压

=20mV正弦信号。

功率放大器的输出端接额定负载电阻

（代替扬声器），输入端接

，逐渐增大输入电压

，直到

的波形刚好不出现谐波失真（r<1%），此时对应的输出电压为最大输出电压。

测量后应迅速减小

，以免损坏功率放大器[10]。

（2）频率响应：

放大器的电压增益相对于中音频

（1kHz）的电压增益下降3dB时所对应的低音音频

和高音音频

称为放大器的频率响应。

测量条件如下：

调节音量控制器使输出电压约为最大输出电压的50%，输入端接音调控制器，使信号发生器的输出频率

从20Hz~20kHz（保持

=20mV不变）测出负载电阻上对应的输出电压

。

（3）输入灵敏度：

使音响放大器输出额定功率时所需的输入电压（有效值）称为灵敏度。

（4）噪声电压：

使输入为零时，输出负载

上的电压称为噪声电压

。

测量：

使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载凡的电压波形，用交流电压表测量其有效值。

低频小信号电压放大电路的要求是使负载上得到不失真的电压波形，讨论主要指标是电压增益、输入阻抗和输出阻抗等，而对其输出功率没有特殊要求。

对功率放大电路则不同，因功率放大电路是处于电子设备或多级放大电路的最后一级，它主要要求获得一定的不失真（或轻度失真）的输出功率。

因此，对功率放大电路主要研究的电压放大电路中没有涉及过的问题。

（1）输出功率力求尽可能大

为了获得足够大输出功率

，由于

，因此，功率放大电路要求输出电压V和输出电流I足够大，从而使得功率放大电路中的三级管可能工作在接近或进入极限状态（饱和，截止）。

（2）效率尽可能高

功放电路输出功率大的同时，三极管的损耗

也大，这两部分之和就是直流电源提供的功率

，其中输出功率

所占的比例即为效率

。

（3）非线性失真要小

由于功放电路中的三级管工作在接近或进入饱和和截止的极限状态，常会出现非线性失真，使得要求输出功率大与非线性失真要小成为一对矛盾。

但是，在不同的场合下，对非线性失真的要求是不同的，例如，在测量系统和电声设备中，对非线性失真有很高的要求，而在控制电动机的伺服放大器中，则只要求输出较大的功率，对非线性失真的要求就降为次要问题了。

（4）功放管的安全与保护

在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，结温会变得很高，为保证功放管安全可靠地运行，那么就必须要限制功耗、电流和管子承受的反压，因此，还要在电路结构和安装上有适当的保护措施，如在电路结构设置过压、过流保护电路；在安装上给功放管加散装热片等，使功放管具有良好的散热条件。

（5）功率放大电路采用图解分析法

由于功放管处于大信号状态下工作，不适合用电压放大电路分析中常用的小信号模型分析法，通常采用图解分析法。

2.3.3功率放大器效率比较分析

（1）常见的集成功率放大器效率

传统的集成功率放大器的满功率效率通常在50%~55%之间。

影响效率的主要原因是功率输出级的最低工作电压、输出晶体管的最低线性工作区电压（略大于晶体管的饱和电压）、过电流保护电阻电压降、集成功率放大器自身静态电流损耗。

以LM1875为例，LM1875输出级的偏置电路由恒流电源构成，这个恒流的最低工作电压至少要1V；从VT11基极，经过VT11\VT12的发射结又将产生至少2V的电压；过电流保护电阻R7又将产生1V左右电压。

这样正电源与输出级之间的最小电压将达到3~4V。

对于28V的电源电压而言，仅此一项所造成的效率下降11%；对于B类放大器的理想效率仅剩不到70%，除此之外，为了消除放大器的交越失真，还要设置输出级必要的偏置电流